A ile B arasındaki Vₛ gerilim kaynağının + ucu B’dedir, bu yüzden VB − VA = Vₛ yapar. Süper düğümlü düğüm analizi kullanarak gerilim kaynağından, okla gösterildiği gibi A’dan B’ye geçen Ix akımını bulun.
Is = 1,5 AVs = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 6 Ω
Ix = A
4.Düğüm analiziZor
A ile B arasındaki Vₛ gerilim kaynağının + ucu A’dadır, bu yüzden VA − VB = Vₛ yapar. Süper düğümlü düğüm analizi kullanarak ok yönünde R1 üzerinden geçen IR1 akımını bulun.
a–b uçlarından görülen Thévenin gerilimi Vth değerini bulun.
V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
6.Thévenin ve NortonZor
Norton akımı IN değerini bulun: uçlar kısa devre edilirse a’dan b’ye akan akım.
V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 2 ΩR2 = 25 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
7.RC ve RL geçici rejimOrta
Vₛ kaynağı kondansatörü R₁ üzerinden doldurur ve R₂, C’ye paralel bağlıdır. Anahtar t = 0’da kapandığında kondansatör boştur. Anahtar kapandıktan sonra devrenin zaman sabiti τ değerini bulun.
Vs = 15 VR1 = 4,7 kΩR2 = 2,2 kΩC = 220 µF
τ = ms
8.RC ve RL geçici rejimZor
R2 üzerindeki anahtar uzun süredir açıktır, bu yüzden bobin akımı sabittir. t = 0’da anahtar kapanır ve R2 direncini kısa devre eder. t = 40 ms anında bobin akımı i değerini bulun.
Vs = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 33 ΩL = 100 mHt = 40 ms
i = A
9.AC empedans ve fazörlerOrta
Seri bir RLC devresi 100 V (rms), 100 Hz bir kaynağa bağlı. Empedansın faz açısı φ değerini derece cinsinden bulun (akım gerilimden geride olduğunda pozitif).
V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
φ = °
10.AC empedans ve fazörlerZor
Seri bir RLC devresi 50 V (rms), 50 Hz bir kaynağa bağlı. Rms akım I değerini bulun.
V = 50 V (rms)f = 50 HzR = 30 ΩL = 250 mHC = 47 µF
I = A
11.AC güç ve güç faktörüOrta
Tek fazlı bir motor, 240 V bir kaynaktan 0,6 geri güç faktöründe 9 kW çekiyor. Hat akımı I değerini bulun.
P = 9 kWpf = 0,6V = 240 V
I = A
12.AC güç ve güç faktörüZor
Tek fazlı bir yük, 240 V, 50 Hz bir kaynaktan 0,6 geri güç faktöründe 35 kW çekiyor. Paralel bağlanan bir kondansatör güç faktörünü 0,9 değerine yükseltiyor. Yeni hat akımı Inew değerini bulun.
P = 35 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,9V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
13.Üç fazlı güçOrta
Dengeli üç fazlı bir yük, fazlar arası gerilimi 480 V olan bir kaynaktan 60 A hat akımı çekiyor. Güç faktörü 0,8 geri. Yükün çektiği toplam aktif güç P değerini kW cinsinden bulun.
VL = 480 VIL = 60 Acos φ = 0,8
P = kW
14.Üç fazlı güçZor
Dengeli üç fazlı bir yük, 480 V (fazlar arası), 50 Hz bir kaynaktan 0,8 geri güç faktöründe 75 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,92 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatör grubunun sağlaması gereken toplam reaktif güç QC değerini kvar cinsinden bulun.
P = 75 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.TransformatörlerOrta
Tek fazlı 250 kVA, 4800/240 V bir transformatör anma yükünde çalışıyor. İdeal kabul edin. Yüksek gerilim sargısındaki akım IHV değerini bulun.
S = 250 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
IHV = A
16.TransformatörlerZor
Tek fazlı 50 kVA bir transformatörün demir kaybı 400 W’tır. Anma yükünde ve 0,85 geri güç faktöründe verimi %98’dir. Tam yükteki bakır kaybı Pcu,fl değerini watt cinsinden bulun.
S = 50 kVAPcore = 400 Wpf = 0,85η = 98%
Pcu,fl = W
3Çözeltiler
1.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR2 = 1,102 A
Seri ve paralel dirençler: seride her dirençten aynı akım geçer ve R = R₁ + R₂ + …. Paralelde her direncin gerilimi aynıdır ve 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Merdiven ağı, tek bir eşdeğer direnç kalana kadar çift çift indirgenir.
Dirençleri en uzak uçtan birleştirin
Kaynağa en uzak uçtan başlayıp ona doğru geri gelin. Aynı akımı taşıyan dirençler seri; aynı iki düğüm arasındaki dirençler paraleldir.
R3 + R4 = 15 + 12 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 12·27/(12+27) = 8,308 Ω
Req = R1 + 8,308 = 3 + 8,308 = 11,31 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 18/11,31 = 1,592 A
R₂’den geçen akım
A düğümündeki gerilimi bulmak için R₁ üzerindeki düşümü çıkarın; bu, R₂ üzerindeki gerilimdir.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1,592·3 = 13,22 V
IR2 = VA/R2 = 13,22/12 = 1,102 A
Cevap
IR2 = 1,102 A
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 14,49 Ω
Seri ve paralel dirençler: seride her dirençten aynı akım geçer ve R = R₁ + R₂ + …. Paralelde her direncin gerilimi aynıdır ve 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Merdiven ağı, tek bir eşdeğer direnç kalana kadar çift çift indirgenir.
Dirençleri en uzak uçtan birleştirin
Kaynağa en uzak uçtan başlayıp ona doğru geri gelin. Aynı akımı taşıyan dirençler seri; aynı iki düğüm arasındaki dirençler paraleldir.
R5 + R6 = 2 + 20 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 1,833 Ω
R3 + 1,833 = 11,83 Ω
R2 ∥ 11,83 = 8,486 Ω
Req = R1 + 8,486 = 6 + 8,486 = 14,49 Ω
Cevap
Req = 14,49 Ω
3.Düğüm analizi
Cevap: Ix = 1,591 A
Düğüm analizi: bir referans düğüm seçin, bilinmeyen düğüm gerilimlerini adlandırın, Ohm yasasını (I = ΔV/R) kullanarak her bilinmeyen düğümde Kirchhoff akım yasasını yazın ve denklemleri çözün.
Süper düğüm oluşturun
A ile B arasındaki gerilim kaynağı bilinmeyen bir akım taşır, bu yüzden A veya B için ayrı ayrı KAY yazılamaz. A, B ve kaynağı tek bir süper düğüm içine alın: ona giren akım çıkan akıma eşittir.
VB = VA + Vs = VA + 10
VA/R1 + VB/R2 = Is
Çözün
VA/5 + (VA + 10)/6 = 1,5
VA = (1,5 − 10/6)/(1/5 + 1/6) = −0,4545 V
VB = −0,4545 + 10 = 9,545 V
Gerilim kaynağından geçen akım
Kaynaktan A’dan B’ye geçen her şey B düğümünden R₂ üzerinden çıkar.
Ix = VB/R2 = 9,545/6 = 1,591 A
Cevap
Ix = 1,591 A
Negatif sonuç, gerçek akımın oka ters yönde aktığı anlamına gelir.
4.Düğüm analizi
Cevap: IR1 = 2,896 A
Düğüm analizi: bir referans düğüm seçin, bilinmeyen düğüm gerilimlerini adlandırın, Ohm yasasını (I = ΔV/R) kullanarak her bilinmeyen düğümde Kirchhoff akım yasasını yazın ve denklemleri çözün.
Süper düğüm oluşturun
A ile B arasındaki gerilim kaynağı bilinmeyen bir akım taşır, bu yüzden A veya B için ayrı ayrı KAY yazılamaz. A, B ve kaynağı tek bir süper düğüm içine alın: ona giren akım çıkan akıma eşittir.
Negatif sonuç, gerçek akımın oka ters yönde aktığı anlamına gelir.
5.Thévenin ve Norton
Cevap: Vth = 2 V
Thévenin teoremi: her doğrusal iki uçlu ağ, Rth direncine seri tek bir Vth gerilim kaynağı gibi davranır. Norton teoremi aynı ağı Rth ile paralel IN = Vth/Rth akım kaynağı olarak verir.
Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun
Gerilim kaynaklarını kısa devre, akım kaynaklarını açık devreyle değiştirin, sonra devreye a–b’den bakın.
R1 ∥ R2 = 15·3/(15+3) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 8 = 10,5 Ω
Açık devre gerilimi Vth’yi bulun
a–b açıkken R₃’ten akım geçmez, bu yüzden üzerinde düşüm yoktur ve V_b = V_A olur. R₁ ve R₂ bir gerilim bölücü oluşturur.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 12·3/(15+3) = 2 V
6.Thévenin ve Norton
Cevap: IN = 7,606 A
Thévenin teoremi: her doğrusal iki uçlu ağ, Rth direncine seri tek bir Vth gerilim kaynağı gibi davranır. Norton teoremi aynı ağı Rth ile paralel IN = Vth/Rth akım kaynağı olarak verir.
Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun
Gerilim kaynaklarını kısa devre, akım kaynaklarını açık devreyle değiştirin, sonra devreye a–b’den bakın.
R1 ∥ R2 = 2·25/(2+25) = 1,852 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,852 + 2 = 3,852 Ω
Açık devre gerilimi Vth’yi bulun
a–b açıkken Iₛ’nin tek yolu R₃ üzerinden A düğümüne gitmektir. V_A’yı V₁ ve Iₛ’nin süperpozisyonuyla bulun, sonra R₃ üzerindeki düşümü ekleyin.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 13,89 + 4·1,852 = 21,3 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,3 + 4·2 = 29,3 V
Norton eşdeğeri
Norton kaynağı, aynı devrenin R_th ile paralel bir akım kaynağı olarak görünümüdür. Akımı, a–b’deki kısa devre akımıdır.
IN = Vth/Rth = 29,3/3,852 = 7,606 A
7.RC ve RL geçici rejim
Cevap: τ = 329,7 ms
Birinci derece geçici rejim: tek kondansatörlü veya tek bobinli bir devrede her gerilim ve akım başlangıç değerinden son değerine üstel olarak gider: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC veya τ = L/R ile. Yaklaşık 5τ sonra devre oturur.
Kondansatörün gördüğü Thévenin eşdeğeri
Rth’yi bulmak için kaynağı kısa devre edin; kondansatörün yerleşeceği gerilimi bulmak için kondansatörü açık devre yapın.
Rth = R1 ∥ R2 = 4,7·2,2/(4,7 + 2,2) = 1,499 kΩ
vC(∞) = 15·2,2/(4,7 + 2,2) = 4,783 V
Zaman sabiti
τ = Rth·C = 1,499·220 = 329,7 ms
Cevap
τ = 329,7 ms
8.RC ve RL geçici rejim
Cevap: i = 1,059 A
Birinci derece geçici rejim: tek kondansatörlü veya tek bobinli bir devrede her gerilim ve akım başlangıç değerinden son değerine üstel olarak gider: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC veya τ = L/R ile. Yaklaşık 5τ sonra devre oturur.
Başlangıç değeri, son değer, zaman sabiti
t = 0’dan önce iki direnç de devrededir; sonra kapalı anahtar R₂’yi devre dışı bırakır.
i(0) = 6/(5 + 33) = 0,1579 A
i(∞) = 6/5 = 1,2 A
τ = L/R = 100/5 = 20 ms
i(t) = 1,2 + (0,1579 − 1,2)·e−t/τ
Verilen andaki akım
i(40) = 1,2 + (−1,042)·e−40/20 = 1,059 A
Cevap
i = 1,059 A
9.AC empedans ve fazörler
Cevap: φ = −82,58 °
Fazörlerle AC devreleri: direnç, bobin ve kondansatörün empedansları R, jωL ve 1/(jωC)’dir; ω = 2πf. Seride empedanslar dirençler gibi, ancak karmaşık sayı olarak toplanır. Rms akım ve gerilim |Z| ile Ohm yasasına uyar.
Reaktanslar
ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,05 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·4,7·10⁻⁶) = 338,6 Ω
Empedans
Seride empedanslar karmaşık sayılar olarak toplanır: Z = R + j(XL − XC).
Fazörlerle AC devreleri: direnç, bobin ve kondansatörün empedansları R, jωL ve 1/(jωC)’dir; ω = 2πf. Seride empedanslar dirençler gibi, ancak karmaşık sayı olarak toplanır. Rms akım ve gerilim |Z| ile Ohm yasasına uyar.
Reaktanslar
ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,25 = 78,54 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·47·10⁻⁶) = 67,73 Ω
Empedans
Seride empedanslar karmaşık sayılar olarak toplanır: Z = R + j(XL − XC).
AC güç: görünür güç S = V·I (VA), faydalı iş yapan aktif güç P = S·cos φ (W) ile kaynak ve yük arasında gidip gelen reaktif güç Q = S·sin φ (var) olarak ayrılır. Güç faktörü cos φ’dir. Paralel bir kondansatör reaktif gücü yerinde sağlar, böylece aynı aktif güç için hat akımı düşer.
Hat akımı
Gücün yalnızca aktif kısmı iş yapar, bu yüzden güç faktörüne bölün.
I = P/(V·cos φ) = 9000/(240·0,6) = 62,5 A
Cevap
I = 62,5 A
12.AC güç ve güç faktörü
Cevap: Inew = 162 A
AC güç: görünür güç S = V·I (VA), faydalı iş yapan aktif güç P = S·cos φ (W) ile kaynak ve yük arasında gidip gelen reaktif güç Q = S·sin φ (var) olarak ayrılır. Güç faktörü cos φ’dir. Paralel bir kondansatör reaktif gücü yerinde sağlar, böylece aynı aktif güç için hat akımı düşer.
Önce ve sonra reaktif güç
Aktif güç P değişmez; yalnızca şebekeden çekilen reaktif güç değişir.
Q1 = P·tan φ1 = 35·tan(53,13°) = 46,67 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(25,84°) = 16,95 kvar
QC = Q1 − Q2 = 29,72 kvar
Yeni hat akımı
Inew = P/(V·cos φ2) = 35000/(240·0,9) = 162 A
Cevap
Inew = 162 A
13.Üç fazlı güç
Cevap: P = 39,91 kW
Dengeli üç fazlı sistemler: Y (yıldız) bağlantıda fazlar arası gerilim faz geriliminin √3 katıdır, VL = √3·Vph, ve hat akımı faz akımına eşittir. Δ (üçgen) bağlantıda fazlar arası gerilim faz gerilimine eşittir ve hat akımı faz akımının √3 katıdır, IL = √3·Iph. Toplam güç bir fazın gücünün üç katıdır: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Görünür güç
S = √3·VL·IL = √3·480·60 = 49,88 kVA
Aktif güç
P = S·cos φ = 49,88·0,8 = 39,91 kW
Cevap
P = 39,91 kW
14.Üç fazlı güç
Cevap: QC = 24,3 kvar
Dengeli üç fazlı sistemler: Y (yıldız) bağlantıda fazlar arası gerilim faz geriliminin √3 katıdır, VL = √3·Vph, ve hat akımı faz akımına eşittir. Δ (üçgen) bağlantıda fazlar arası gerilim faz gerilimine eşittir ve hat akımı faz akımının √3 katıdır, IL = √3·Iph. Toplam güç bir fazın gücünün üç katıdır: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Güç faktörü düzeltme: kondansatörler reaktif gücü yerinde sağlar, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Üç kondansatörün her biri QC/3 = V²·ω·C sağlar; burada V o kondansatör üzerindeki gerilimdir: Δ grupta VL, Y grupta VL/√3.
Önce ve sonra reaktif güç
Aktif güç değişmediği için her güç faktörü reaktif gücü belirler: Q = P·tan φ.
Q1 = 75·tan(acos 0,8) = 75·0,75 = 56,25 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar
Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç
QC = Q1 − Q2 = 24,3 kvar
Cevap
QC = 24,3 kvar
15.Transformatörler
Cevap: IHV = 52,08 A
İdeal transformatör: gerilimler sarım sayılarının oranında, akımlar ters oranda bulunur: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a ve I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a; böylece giriş gücü çıkış gücüne eşittir, V₁·I₁ = V₂·I₂. Sekonderdeki bir Z yük empedansı primerden a²·Z olarak görünür.
Anma akımı
İki sargı da aynı görünür gücü taşır.
IHV = S/V = 250000/4800 = 52,08 A
Cevap
IHV = 52,08 A
16.Transformatörler
Cevap: Pcu,fl = 467,3 W
Transformatör kayıpları: demir kaybı (histerezis ve girdap akımları) gerilime bağlıdır ve her yükte aynıdır. Sargılardaki bakır kaybı akımın karesiyle değişir; bu yüzden anma yükünün x kesrinde x²·Pcu,fl olur. Verim η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), burada Pout = x·S·pf. Verim, bakır kaybının demir kaybına eşit olduğu yükte en yüksektir.